CN114977446A - 基于自适应分数阶自治电路的半主动整流电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置。该装置由自适应分数阶电容为电路供能，而分数阶电容可由半桥逆变器自动调节移相角和开关频率，实现其阶数和容值的自适应调节。相较于传统的半主动整流式无线电能传输装置，该装置在实现负载无关的可控恒流输出的同时，利用自适应分数阶电容可实现电源的零相角输出特性，从而减少输入系统的无功功率，降低传输损耗。

Description

基于自适应分数阶自治电路的半主动整流电能传输装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)，是指通过发射端将电能转换成其他形式的能量，再由接收端将该能量收集并转换成电能的技术，可以实现一定距离的无线电能传输。无线供电方式在许多场合有着得天独厚的优势，例如在墙体、水下及生物体等施工难度大及高度灵活设备充电的场合有着不可替代的作用。由于传统有线供电方式的复杂电气接线问题及带来的物理耗材多和施工周期长等问题，无线电能传输技术的发展变得不可或缺。
近年来磁谐振式无线电能传输技术因为其高空间自由度、传输距离较远及传输效率高而受到广泛关注。而随着新能源技术的发展，负载需求更高效稳定的供电方式，已有的无线电能传输技术在接收回路常用整流电路实现交流电转直流电的功能，来为负载充电。常见的整流电路可分为不可控整流电路和可控整流电路，可控整流电路因其更高的稳定性和输出可控性逐渐被人们所重视，但在控制过程中无法避免的导致其等效阻抗呈容性，无疑为系统带来了无功功率，增大了传输损耗。为此，探究如何减少甚至消除系统的无功功率，降低传输损耗，成为了可控整流式无线电能传输技术需要克服的重要难题。分数阶电路(Fractional Order Circuits,FOC)在许多领域已有研究，分数阶元件因其具有记忆特性而备受关注，但在无线电能传输领域的应用还较少。
基于前述问题，本发明采用分数阶电容作为输出为系统供电，不同于传统的磁谐振式无线电能传输系统，该发明能够有效利用分数阶电容的记忆特性，通过阶数和容值自适应调节实现电源侧的零相角(Zero Phase Angle,ZPA)输出，在维持恒流输出特性的基础上，能有效降低系统的无功功率，减少传输损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，该装置利用自适应分数阶电容的记忆特性和负阻特性实现系统供能。分数阶电容作为分数阶自治电路的供能元件，能够调节系统频率，实现电源零相角输出，消除系统无功，降低传输损耗。已有的半主动整流电路的等效阻抗呈容性，会导致系统无功功率的增加，在发射端利用自适应分数阶电容实现电路自治，能够实现电源的零相角输出，有效消除系统无功功率的同时，确保接收端的负载无关的恒流输出特性。
为了解决上述的技术问题，本发明的采用如下技术方案：
基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，引入自适应分数阶电容替代电源作为输出；所述分数阶电容包含直流电源、半桥逆变器及电容；所述发射线圈和接收线圈实现原、副边回路的能量传输；接收回路包含副边补偿单元、半主动整流电路、滤波电容及负载；
所述直流电源与半桥逆变器的桥臂两端相连，半桥逆变器的桥臂中点与电容C1的一端相连，电容C1的另一端点与电源负极侧的端点构成了分数阶电容的两端；所述分数阶电容的两端分别与发射线圈L1的两端相连，形成串联回路。
所述副边补偿电容C2的一端与接收线圈电感L2的一端连接后，另一端与半主动整流电路的一条桥臂中点连接，半主动整流电路的另一条桥臂中点与电感L2的另一端相连，形成完整回路；负载RL与滤波电容Cf并联后，并联在半主动整流电路两端。
在一较佳实施例中，通过采集输出电流过零点实时调节半桥逆变器的导通频率及移相角，维持电源的输出电压和电流同相。
在一较佳实施例中，半桥逆变器由开关管Q1和Q2串联组成，半桥逆变器的桥臂中点与电容C1的一端相连，另一端作为分数阶电容的一端与发射线圈电感L1的一端相连，半桥逆变器与电源负极相连的端点作为分数阶电容的另一端与电感L1的另一端相连。
在一较佳实施例中，所述接接收线圈电感L2的一端与副边补偿单元C2的一端相连，电容C2的另一端则连接至半主动整流电路的一条桥臂中点，电感L2的另一端与半主动整流电路的另一条桥臂中点相连。
在一较佳实施例中，所述半主动整流电路由两条桥臂组成，一条桥臂由一个二极管和一个开关管Q3串联构成，另一条桥臂由一个二极管D2和一个开关管Q4串联构成，两条桥臂并联后与滤波电容Cf并联，后与负载RL并联。
在一较佳实施例中，所述原、副边回路为可变频电路，半主动整流电路的开关管Q3和Q4导通频率与副边回路的电流频率相同；所述副边电路采集到输出电流I0并与预设电流值比较，在输出电流I0未达到预设值时通过PID控制对开关管Q3和Q4施加一定延时的导通和关断信号，直至输出电流I0达到预设值时电路稳定.
相较于已有技术，本发明的技术方案具有以下有益效果：
1.本发明利用分数阶电容实现自适应分数阶自治电路，利用分数阶电容的记忆特性实现电源的零相角输出特性，减少系统无功功率，降低传输损耗。
2.本发明输出端采用半主动整流电路，相较于传统不可控整流电路受寄生电阻的影响无法实现真正的恒流输出，半主动整流能够通过控制移相角实现负载无关的可调式恒流输出。
3.本发明由于自适应分数阶自治电路的引入，会带来系统频率变化，分数阶电容和半主动整流电路的自适应控制可以带来输出电流大于1倍的增益，且半主动整流电路的移相角越大时，系统频率越小，输出电流越大。
附图说明
图1为基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置的结构图
图2为装置的分数阶电容结构图
图3为装置的分数阶电容的控制原理图
图4为装置的半主动整流电路的控制原理图
图5为半主动整流电路的电压电流特性图
图6为装置在I0＝3A时，负载分别为10Ω,15Ω,20Ω时的输出电流波形图
图7为装置输出电流控制在2.5A，3A,3.5A时及不对整流电路施加移相控制时的输出电流波形图
图8为装置在RL＝10Ω,I0＝3A时电源侧电压US和电流IS的波形图
具体实施方法
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明涉及基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，由分数阶电容、发射线圈、接收线圈、副边补偿单元、半主动整流电路、滤波电容及负载组成。
所述分数阶电容的具体结构如图2所示，电源Vin的两端连接半桥逆变器的两端，半桥逆变器由开关管Q1和Q2串联组成，半桥逆变器的桥臂中点与电容C1的一端相连，另一端作为分数阶电容的一端与发射线圈电感L1的一端相连，半桥逆变器与电源负极相连的端点作为分数阶电容的另一端与电感L1的另一端相连构成完整的发射回路。
所述接接收线圈电感L2的一端与副边补偿单元C2的一端相连，电容C2的另一端则连接至半主动整流电路的一条桥臂中点，电感L2的另一端与半主动整流电路的另一条桥臂中点相连。半主动整流电路由两条桥臂组成，一条桥臂由一个二极管和一个开关管Q3串联构成，另一条桥臂由一个二极管D2和一个开关管Q4串联构成，两条桥臂并联后与滤波电容Cf并联，后与负载RL并联。
分数阶电容的控制方式如图3所示，已知接收回路的半主动整流电路电压电流特性如图5所示，其基频等效阻抗可表示为
Figure BDA0003652892700000051
其中
Figure BDA0003652892700000052
表示开关管Q4的移相角。由于容性阻抗存在，电源端的电压和电流无法同相，采用相位跟踪控制方式，采集发射回路的电流iS，利用过零检测，在上升零点时控制开关管Q1导通，在下降零点时控制开关管Q1关断，而开关管Q2的导通时间则与开关管Q1互补。由于回路电流为近似正弦波，可认为分数阶电容的半桥逆变器两开关管占空比均为50％，此时有输出电压
Figure BDA0003652892700000053
幅值恒定，且电压
Figure BDA0003652892700000054
相位角始终与电流
Figure BDA0003652892700000055
相同，从而实现零相角输出。
半主动整流电路的控制方式如图4所示，其中自适应分数阶自治电路的引入带来必要的频率变化，半主动整流电路的开关管的工作频率必须与分数阶电容的工作频率保持一致。开关管Q3和Q4在未引入PID控制时采用与分数阶电容采用相同的相位跟踪控制方式，通过采集接收回路电流i2，在上升零点时控制开关管Q4导通，在下降零点时控制开关管Q4关断，开关管Q3的导通时间则与开关管Q4互补；在该工作模式下，开关管Q4的移相角
Figure BDA0003652892700000061
为0°，实现自然恒流。如图5所示为满足输出电流可控性，在接收回路引入PID控制，通过采集输出电流I0与设定电流值比较，进而调节开关管Q4的移相角
Figure BDA0003652892700000062
且满足开关管Q3导通时间与开关管Q4互补，直至输出电流达到预设值。此时由于引入变频控制可以实现比自然恒流模式的输出大于1倍的电流增益；相较于定频系统的可控整流仅能实现小于1倍的电流增益，具有明显优势，能够适用于更多大功率场景。
本实例中参数设计如下：
1)选取直流电压源Vin电压48V；
2)选取三个电容C1,C2为50.66nF；
3)选取三个电感L1,L2为50uH，互感20uH；
4)选取滤波电容Cf为100uF；
参见图6、图7、图8中仿真结果，可得出如下结论：
1)由图6可知，在改变负载RL为10Ω,15Ω,20Ω时，均能实现输出电流恒定在3A，实现了负载无关的恒流输出；
2)由图7可知，相较于自然整流方式，施加移相控制能实现输出电流大于1倍的电流增益，可实现更高功率的无线电能传输；
3)由图8可知，以RL＝10Ω,I0＝3A为例，自适应分数阶自治电路能够有效实现电源的零相角输出，此时基频电流和电压的相位基本保持一致；
由上可知，本发明在实现了可调式负载无关的恒流输出的同时，实现了电源的零相角输出，有效降低系统无功功率，降低传输损耗。
以上实例仅为本发明原理，并非本发明仅有的实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (6)

1.基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，引入自适应分数阶电容替代电源作为输出；所述分数阶电容包含直流电源、半桥逆变器及电容；所述发射线圈和接收线圈实现原、副边回路的能量传输；接收回路包含副边补偿单元、半主动整流电路、滤波电容及负载；
所述直流电源与半桥逆变器的桥臂两端相连，半桥逆变器的桥臂中点与电容C1的一端相连，电容C1的另一端点与电源负极侧的端点构成了分数阶电容的两端；所述分数阶电容的两端分别与发射线圈L1的两端相连，形成串联回路。
所述副边补偿电容C2的一端与接收线圈电感L2的一端连接后，另一端与半主动整流电路的一条桥臂中点连接，半主动整流电路的另一条桥臂中点与电感L2的另一端相连，形成完整回路；负载RL与滤波电容Cf并联后，并联在半主动整流电路两端。
2.根据权利要求1所述的基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，通过采集输出电流过零点实时调节半桥逆变器的导通频率及移相角，维持电源的输出电压和电流同相。
3.根据权利要求1所述的基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，半桥逆变器由开关管Q1和Q2串联组成，半桥逆变器的桥臂中点与电容C1的一端相连，另一端作为分数阶电容的一端与发射线圈电感L1的一端相连，半桥逆变器与电源负极相连的端点作为分数阶电容的另一端与电感L1的另一端相连。
4.根据权利要求3所述的基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，所述接接收线圈电感L2的一端与副边补偿单元C2的一端相连，电容C2的另一端则连接至半主动整流电路的一条桥臂中点，电感L2的另一端与半主动整流电路的另一条桥臂中点相连。
5.根据权利要求4所述的基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，所述半主动整流电路由两条桥臂组成，一条桥臂由一个二极管和一个开关管Q3串联构成，另一条桥臂由一个二极管D2和一个开关管Q4串联构成，两条桥臂并联后与滤波电容Cf并联，后与负载RL并联。
6.根据权利要求5所述的基于自适应分数阶自治电路的半主动整流式电能传输装置，其特征在于，所述原、副边回路为可变频电路，半主动整流电路的开关管Q3和Q4导通频率与副边回路的电流频率相同；所述副边电路采集到输出电流I0并与预设电流值比较，在输出电流I0未达到预设值时通过PID控制对开关管Q3和Q4施加一定延时的导通和关断信号，直至输出电流I0达到预设值时电路稳定。
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